压应力条件下缺口产生疲劳裂纹的研究

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1983.03.007 北京钢铁学院学报 1983年第3期 压应力条件下缺口产生疲劳裂纹的研究 北京钢铁学院精武扬肖纪焚金连疆 首都钢铁公司校计院刘天化 摘要 对超高强钢和铝合金的研究表明，在压一压交变载荷下缺口前端能引发疲劳裂 纹，但其门槛值比拉应力高三倍。压应力下缺口裂纹长到一定尺寸（如0.2~ 0.5mm)后就将停止扩展。如果压应力的最小载荷（绝对值)接近零，则裂纹容 易形成（门栏值和拉应力相近），且能扩展较长的距离。 3 一、.前 言 大量实验表明，如无裂纹试样面存在压缩残余应力（如喷丸处理）则可大大提高其瘦 劳孝命。在这种情况下即使产生疲劳裂纹也往往发源于表层下方拉应力区。因此，一般均认 为压缩应力将不会引起疲劳裂纹的形核和扩展。但在某次事故分析中：发现，在轧机人字齿轮 的压缩应力区出现了疲劳裂纹，在压一压交变应力作用下从缺口处能否引发疲劳裂纹，这是 一个尚未解决的问题。 在疲劳条件下，如把裂纹的形核归因于交替滑移所产生的累积损伤，则在压一压应力作 用下，缺口前端也会产生局部塑性变形，故原则上也会通过累积损伤而形成裂纹。Rid等 用缺口试样研究了预先压缩过载后在压应力作用下疲劳裂纹的形核和扩展〔1)。结果表明， 当裂纹超过过载塑性区后就将止裂。因而他们认为，裂纹的形核和扩展是由过载塑性区中的 残余拉伸应力（它大于压缩疲劳应力）引起的，故他们仍认为纯压应力不会使裂纹形核和扩 展。 本文的目的就是要探讨超高强钢和铝合金在压一压应力作用下缺口产生疲劳裂纹的可能 性及其形核和扩展的规律。 二、试验过程和结果 材料是超高强钢（30CNi,WV)和超高强铝合金(LC),其成分和性能见表1。 试样厚为5mm,缺口深度是7.8mm,其曲半径为0.075mn1,为了便于加载，拉伸 试样的高度是压缩试样（图1）的4倍。用30倍的工具显微镜测量裂纹长度，以裂纹长度为 0,1mm(对超高强钢)和0.05mm（对铝合金)所对应的循环周次作为裂纹形核循环数 (N,)。截止循环则选为10°周。 79 秘

北 京 钢 铁 学 院 学 报 年 第 期 压应力条件下缺口 产生疲劳裂纹的研究 北 京 钢 铁 学 院 褚武 扬 肖纪典 金连 强 首都钢铁 公 司般 计 院 刘夭化 摘 要 对超 高强钢和铝合金 的研 究表 明 ， 在 压 一 压 交变载荷下缺 口 前端 能 引发疲劳裂 纹 ， 但 其门 槛值 比 拉应 力 高三 倍 。 压 应 力下 缺 口 裂纹 长 到一 定 尺 寸 如 后 就将停 止扩 展 。 如 果 压 应 力的最 小 载荷 绝对值 接近零 ， 则裂纹容 易形成 门栏值和 拉应 力相近 ， 且 能扩展 较长 的距 离 。 忿 一 、 前 、 目 ， 口 大量 实验表 明 ， 如无 裂纹试 样 表面存在压缩残余应 力 如喷丸 处理 则可大大提 高其疲 劳寿命 。 在这 种 情况下 即使产生疲 劳裂 纹也往往 发源 于表层下方 拉应 力区 。 因此 ， 一 般均认 为压 缩应 力将不 会引起疲 劳裂 纹 的形 核 和扩展 。 但 在某 次事 故分析 中发 现 ， 在 轧 机人 字齿轮 的压 缩应 力 区 出现了疲 劳裂 纹 ， 在 压一压 交 变应 力作用下 从缺 口 处能 否 引发疲 劳裂 纹 ， 这 是 一个尚 未解决的 问题 。 在疲劳条件下 ， 如 把裂 纹 的形核 归 因于 交替滑 移所产 生的 累 积损 伤 ， 则在压 一 压应 力作 用下 ， 缺 口 前端也 会产 生局 部塑 性变形 ， 故原 则 上也 会通 过 累积 损伤 而形成裂纹 。 等 用缺 口 试样研 究 了预 先压缩 过载后 在 压 应 力 作用下疲 劳裂 纹 的形 核 和扩 展 〕 。 结 果 表 明 ， 当裂 纹 超 过过 载 塑 性 区后 就 将止 裂 。 因而他们 认为 ， 裂 纹 的 形核 和扩 展 是 由过 载 塑性 区 中的 残余拉伸应 力 它大 于压 缩疲劳应 力 引起 的 ， 故他们 仍 认为纯 压 应 力不 会使裂 纹形核和 扩 展 。 本文的 目的 就是 要探 讨超 高强钢 和 铝 合 今在 压一压 应 力作用下 缺 口 产 生疲劳裂纹的可能 性及其形核 和 扩 展 的 规 律 。 二 、 试 验过 程 和 结 果 材料是超 高强钢 和 超 高强 铝合 金 ‘ ， 其 成 分和 性能见 表 。 试样厚 为 ， 缺 口 深 度是 ， 其 曲率半径 为 ， 为 了便 于加载 ， 拉伸 试样 的 高度是压缩 试 样 图 的 倍 。 用 倍的 工 具显 微 镜 测量 裂 纹 民度 ， 以 裂 纹 长 度为 对超 高强钢 和 对铝 合金 所 对应 的 循 环周 次 作为 裂 纹形 核 循环数 ‘ 。 截 仁循 环贝 选 为 。 周 。 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1983．03．007

表1 试样的成分和性能 材料 热处理 成 份 Gs Mpa Ob Mp 900℃油淬 C Cr Ni Si Mn W V 30CrNi,WV 1375 1570 300℃回火 0.310.772.170.240.470.60.22 475℃水淬 Za Mg Cu Mn Cr LC. 510 550 135℃，15小时5.242.111.770.330.14 1.压应力下缺口形成酸劳裂纹的门橙值 用一组超高强钢试样，固定最小应力（净截面应力）为 -gm:n=310Mpa,在不同的压应力幅值(-△o)下疲劳，测 出与此相应的缺口形成裂纹的周次N,,由此可获得压应力下缺 口产生疲劳裂纹的门槛值为△oth=350Mpa(图2曲线1)。 由于在压应力作用下，缺口前端仍存在有应力集中，故可按公式 图1缺口压缩疲劳试样 K,=oF√πa获得表观门槛应力强度因子， △K,h(p)x70Mpam1/ 如果让最小载荷接近于爹(-om:n<31Mpa),则压应力产生疲劳裂纹的门槛值将大大 下降，即△o:h=100Mpa,相应的△K:h(p)=20Mpam1/?(图2曲线2)。 在拉应力条件下，如固定最小名义应力+om1n=150Mpa,由此获得的门槛值为△gmin= 150Mpa或△K,n(p)=16Mpam'/(图2曲线3)，当最小名义应力为零时，拉应力疲劳 的门槛值为△o,h=90Mpa,△K:h(p)=18Mpam1/:(图2曲线4)。 1000 Steel Y.S-1480MPa 1.-omin"310MP3 02. -Omin 0 800 160 3.+Omia"150MPa 04. .n 0- -no Crack 600 0* 三400 80 200 103 10+ 105 10 N 图2高强钢缺口试样在压一压（曲线1,2)和拉一拉应力（曲线3,4) 下疲劳裂纹形核周次Ni随应力幅值△σ的变化 对超高强铝合金，固定最小名义应力-gmin=150Mpa(Km4n=30Mpam2/?),压 应力疲劳时所得结果如图3曲线1，由此可得△o:h=135Mpa,相应的表观AKth(p)= 27Mpam/。 拉应力疲劳时固定最小名义应力为+omin=15Mpa,由此获得的门槛值为△o,h= 35Mpa,或△K,h=7Mpam'/(图3曲线2)。 80

表 试样 的成 分和 性能 伙赞 少 处 理 上 成 份 匕业 一 巨 一 ‘ 。 。 。 ℃ 油淬 。 竺 … … － ” ℃ 回 火 · ” · · ” · “ · ” · ” · “ 】 、 ℃ 水淬 。 。 。 ‘ － ℃ － ， 时 · · · · · 压 应力 下峡 口 形成盛劳琪故 的门扭值 用一 组 超 高 强钢 试样 ， 固定二最小 应 力 净 截面 应 力 为 一 二 ‘ 。 二 ， 在 不 同的压应 力幅值 一 △ 下疲劳 ， 测 出与此 相应 的 缺 口 形成裂纹 的周 次囚 ‘ ， 由此可 获 得压 应 力下 缺 口 产 生疲 劳裂 纹的 门槛值 为 △ ， 。 二 图 曲线 。 由于 在压 应 力作用下 ， 缺 口 前端仍存在有应 力集 中 ， 故可 按 公 式 。 侧 而 获得表观 门槛应 力强 度因子 ， △ ，。 ’ ’ 图 缺 口 压缩疲劳试样 如 果让最小载荷 接近 于零 一 二 ‘ 。 ， 则压应 力产 生疲劳裂 纹 的 门槛 值 将大大 下 降 ， 即△ 。 ， 相应 的△ 。 ‘ ’ 图 曲线 。 在拉应 力条件下 ， 如 固定 最小 名义 应 力 二 、 ‘ 。 ， 由此 获得 的 门槛值 为△ ‘ 。 或△ ’ ’ 图 曲线 ， 当最小 名义应 力为零时 ， 拉应 力疲劳 的 门槛值 为 。 。 ， 么 、 ’ ’ 图 曲线 。 一 二 ‘ 一 口 ‘ 二 中 八 荟翻山日‘ 自 匕 司 图 高 强钢缺 口 试样在压 一 压 曲线 ， 和 拉一 拉应 力 曲线 ， 下疲 劳裂 纹形核 周 次 随应 力幅值△ 的 变化 对超 高强 铝合 金 ， 固定 最小 名义应 力 一 。 、 。 。 ‘ 。 ‘ ’ ， 压 应 力疲 劳时所得 结果如 图 曲线 ， 由此可得 △ 、 ， 相应 的 表观 △ ， ， 。 拉应 力疲 劳 时固定最 小 名义应 力为 十 。 二 ‘ 。 ， 由此 获得 的 门槛值为 △ 。 二 ， 或 △ ’ ， 图 曲线

Le4,-510MPa 1.-Omin -150MPa 300 +amin -13 MPa 200 0 ● ● 100 20 2 = 101 04 105 106 107 Ni,cycles 图3铝合金在压应力（曲线1）和拉应力（曲线2） 下疲劳裂纹形核周次Ni随应力幅值△o的变化 2.压应力下疲劳裂纹的扩展 图4是超高强钢在恒定压应力作用下（最 小载荷固定为-gm:n=310Mpa)裂纹长度 随疲劳周次的变化。特别有意思的是裂纹扩展 82 0.2一0.5mm后就将止裂。对高强度铝合金也 有类似结果。这时试样表面裂纹的长度和内部 基本一致（图5a)。止裂后如降低最小载荷， 则裂纹能继续扩展一定距离，但往往仅限于表 8.0 层（图5b)。如把最小载荷降到接近于零， 这时内部裂纹也能扩展，且裂纹总长可达4一 5tm(图5c)。和拉应力疲劳一样，从缺口 Stteel 7,8 -Omin-310MPa 处形成的压应力疲劳裂纹基本上和外应力垂直 0 No,1 No,2 (图5d)。 No,3 两种材料在压应力下da/dN随△K(p)的 No. 变化如图6所示。作为比较，也给出了拉应力 7.6 12 20 条件下的da/dN,由图可知，无论是钢还是 Ni.ioscyeles 图4在压一压应力作用下裂纹长度随， 铝合金，压应力条件下的da/dN均比拉应力 疲劳周次的变化（超高强钢）。 要小2一3个数量级。对断口进行了型察，结 果表明，无论是超高强钢还是铝合金，压应力疲劳断口和拉应力断口基本一样。· 如果认为疲劳裂纹的形核是一种局部交变滑移引起的累积损伤过程，则在压一压应力作 用下，缺口前端仍存在应力集中，滑移累积损伤过程仍能进行，故也应当能产生疲劳裂纹。 实验也证明了这一点。对我们所用的试样，缺口顶端最大应力为(2)。：=元D= 2如F√日-26,3g(a=7.8mm,p=0.075mm,F=1,29),如不利用K1概念，而用应 力集中系数，也可获得类似的结果。如试为压缩屈服强度等于拉伸屈服强度σ，，则当名义 81

芝巾巨‘ 奋 ︶︵‘ ， 图 铝 合金 在压 应 力 曲线 和 拉应 力 曲线 下疲劳裂 纹形核 周 次 随应 力 幅值 △ 的变化 压 应 力 下疲 劳裂纹 的扩 展 图 是超 高 强钢 在恒定 压应 力作用下 最 小载荷 固定 为 一 二 ‘ 。 二 裂 纹 长 度 随疲 劳周 次 的 变化 。 特 别有 意思 的 是裂 纹扩展 一 后 就 将止裂 。 对 高强 度铝 合 全也 有类似 结果 。 这 时试样 表面 裂 纹 的 长 度和 内部 基 本一致 图 。 止裂后 如降低 最 小载荷 ， 则裂 纹 能 继 续扩 展 一 定距 离 ， 但 往往 仅 限 于表 层 图 。 如 把 最 小载 荷 降 到接 近 于零 ， 这时内部裂 纹也 能 扩 展 ， 且 裂纹 总长 一 可达 一 过 图 。 和 拉应 力疲 劳一样 ， 从缺 口 处形成 的压应 力疲 劳裂 纹 基 本 上和 外应 力垂 直 图 。 两种 材 料在 压应 力下 随 △ 的 变化如 图 所 示 。 作为 比较 ， 也 给 出 了拉应 力 条 件下 的 ， 由图 可 知 ， 无 论 是钢 还 是 铝 合金 ， 压 应 力条件下 的 均 比拉 应 力 要小 一 个数量 级 。 对断 口 进行 了 观 察 ， 结 目日狱‘ 了一一 一 ， 介 ‘ 在 压一 压 应 力作 用下 裂纹长度随 、 疲劳周 次的变化 超 高强钢 。 图乳 果表明 ， 无论是 超 高强钢 还 是铝 合 金 ， 压 应 力疲 劳断 口 和 拉应 力断 口 基本一样 。 · 如果认为疲 劳裂 纹的形核 是一 种局 部交 变滑移 引起 的 累 积损伤 过程 ， 则 在 压一压 应 力作 用下 ， 缺 口 前端 仍存在应 力集 中 ， 滑 移累 积损伤过 程仍能 进行 ， 故也 应 当能产 生疲劳裂纹 。 实验 也 证 明 了这 一 点 。 对我 们 所用 的 试样 ， 缺 口 顶 端 最 大 应 力 为 。 、 ， 。 ， 二 。 。 ， 。 ， 如 不利 用 概 念 力集 中系 数 ， 也可 获 得 类似 的 结果 。 如 认为压缩 屈 服 强 度 等于 拉伸屈 服 强 度 。

(a)最小压应力较大时 裂纹形貌 (b)寂小压应力较低 (d)压应力疲劳裂纹 (c)最小压应力为零 图5 压应力疲劳裂纹的形貌 应力大于：=283=58Mpa(对钢)成20Mpa 10-3 (对铝合金)时，缺口前端就会存在压缩塑性 区。实验表明，如保持gmn=(6-7)0。,则压 10- 缩应力形成裂纹的门槛值比拉应力的门槛值要高 3一4倍（图2，图3），但是如把钢试样的最 小载荷降到接近于零，从而在拉伸残余应力下缺 口顶端能张开，这时门槛应力就将大大降低而接 近拉应力下的数值（见图2）。如果认为宏观疲 NP/wp 劳裂纹是由累积损伤所产生的微观“裂纹”（或 10 空洞)连接而成的，则拉伸应力的存在将会促进 这种连接过程，从而使形成裂纹的门槛值大大下 降，这就可解释在压一零疲劳时裂纹将更容易形 10-7 ●Steel,compression 核和扩展。 Sttcel,tensile. oLe,compression 一旦从缺口形成较长的裂纹后，在压应力作 Lea,tensile 10-L 用下裂纹前端不再存在应力集中，因而在压一生 0 30 40 100 200400 k,(p),MPam± 应力下疲劳裂纹并不会扩展。但如把最小载荷降 图6 在压应力或拉应力条件下裂纹扩 到接近零，则裂纹就能接。这表明，裂纹的张 展速率随△K,(p)的变化 开对裂纹扩展起了决定性的作用。 82

么︺﹄ 二二 裂最小纹形压 应貌力较 大时 最小 压 应 力较低 压 应 力疲 劳裂 纹 。 最 小压 应 力为零 图 压 应 力疲 劳裂纹的形 貌 。卜。 、‘‘ ‘ 吧、 应 力大于 。 栽 ‘对钢 ， 或 对 铝 合 金 时 ， 缺 口 前 端 就 会存 在压 缩 塑 性 区 。 实验表 明 ， 如 保 持 。 二 ‘ 。 一 。 ， 则压 缩应 力形成裂 纹的 门槛 值 比拉应 力的 门槛 值 要 高 一 倍 图 ， 图 ， 但 是如把钢 试 样 的最 小 载荷 降到接近 于零 ， 从而 在拉伸残余应 力下 缺 口 顶 端 能张开 ， 这 时 门槛应 力就 将大大降低 而接 近 拉应 力下 的数 值 见 图 。 如果认为宏观疲 劳裂 纹是 由累 积损 伤 所产 生 的 微 观 “ 裂 纹 ” 或 空洞 连 接 而成 的 ， 则 拉伸应 力的存在 将会促进 这 种连接过程 ， 从而使形成裂 纹的 门槛值 大大下 降 ， 这 就可 解释在压 一 零疲 劳 时裂 纹将更 容易形 核 和 扩展 。 一旦 从缺 口 形成 较长 的裂 纹后 ， 在压应 力作 用下 裂 纹前端 不再存在应 力集 中 ， 因而在压一压 应 力下疲劳裂 纹 并 不 会扩 展 。 但 如把最小 载荷降 到接 近零 ， 则裂 纹 就能扩 展 。 这 表 明 ， 裂 纹的 张 开 对裂 纹扩 展 起 了决定 性 的 作用 。 ， ， 如 扭 ‘ ， 口 。 亡 ， 。 ， 二 ‘ 图 ‘ ， 蚤 月二‘ ‘ 日 在 压 应 力 或拉应 力条件下裂纹扩 展速 率随△ ， 的变化

由于压应力作用下裂纹形核的门槛值要比拉应力高3一4倍，而扩展速率要小2一3个 数量级，特别是当缺口形成的裂纹超过一定长度后就将止裂，这些都表明，在一般情况下压 一压应力不会使构件疲劳断裂。如同时存在拉应力，则疲劳裂纹将从拉应力区首先形核和扩 展。但我们的实验表明，在压一零条件下，疲劳裂纹容易形核且能扩展较长的距离。在这种 情况下就有可能在构件的压应力区形成疲劳裂纹，首钢初轧机人字齿轮断裂后在受压边存在 有很长的疲劳裂纹就是一个例证。 本文获得的结论如下： 1.在压一压应力作用下能从缺口产生疲劳裂纹。其门槛值△o:n(或△K:h1p)将比 拉应力下的值高3一4倍，压应力疲劳时裂纹长到一定长度（如0.2一0.4mm)后就将止 裂。 2.如压应力的最小载荷接近零，则裂纹容易形核（门槛值和拉应力相近），且能扩展 较长的距离。 参考文献 (1)C.N.Reid,et al,Fatigue of Engineering Materials and strueture 1(1979),P.267. 〔2)褚武扬编著：断裂力学基础，1979，科学出版社， Fatigue Grack Initiation from a Notch Tip under Cyclic Compressive Load Wu-yang Chu,*Chi-Mei Hsiao*,Lian-qiang Jin** "Dept.of Metal Physics,Beijing University of Iron and Steel Technoligy, **Capital Steel Co,Beijing. Abstract For ultra-high strength steel and aluminum alloy,a fatigue crack could initiate from a notch tip under a cyclic compressive load.The th- resholp value Aoth or Akt(p)for fatigue crack initiation under a co- mpressive load was four times as high as that under tensile load.The crack grew at a decreasing rate until eventually it stopped gro wing und- er cyclic compressive load and the maximal length of the fatigue crack was only 0.2-0.5mm.The crack nucleation under comdressive stress bec- ame easier and the propagation distance of the fatigue crack was longer if the mimimum cyclic compressive load was near zero. 83

由于压应 力作用下 裂 纹形核 的 门槛值 要 比拉应 力高 一 倍 ， 而扩展 速 率要小 一 个 数量 级 ， 特 别 是 当缺 口 形成的裂 纹超过一 定 长 度后 就 将止 裂 ， 这 些 都 表 明 ， 在一 般情 况下 压 一压应 力不 会使构 件疲 劳断 裂 。 如 同 时存 在 拉应 力 ， 则疲劳 裂 纹 将 从拉应 力区首 先形核 和 扩 展 。 但 我们 的 实验表 明 ， 在压 一零 条件下 ， 疲劳裂 纹 容易 形核 且能 扩展 较长 的 距 离 。 在这 种 情况下 就 有可能 在构件 的压应 力区形成疲劳裂 纹 ， 首钢 初轧机人 字齿轮断 裂后 在受 压 边存在 有很 长 的疲劳裂 纹 就是一 个例证 。 本文 获得 的 结论如下 在压一压应 力作用下 能 从缺 口 产 生疲 劳裂 纹 。 其 门槛值 △ 或 △ 。 将 比 拉应 力下 的 值 高 一 倍 ， 压 应 力疲 劳 时裂 纹长 到一 定 长 度 如 一 后 就 将止 裂 。 如压应 力的 最小 载荷 接近零 ， 则裂 纹 容易形 核 门槛值和 拉 应 力相 近 ， 且能 扩展 较长的 距 离 。 参 考 文 献 ， ， ， 褚武扬 编著 断 裂 力学 基础 ， ， 科学 出版社 户、沪 自、夕产气 一 ， 赞 一 ， 一 签 朴 朴 ， ， 朴 ， 一 ， 一 △ ， 。 一 ’ 一 一